受限超声速流道中反应边界层对爆震传播影响机制研究

This project aims to investigate influence of reacting boundary layer on the detonation propagation through theoretical analysis combined with experiments and numerical simulations. Firstly, model the problem of upstream of oblique detonation induced by the Mach reflection under the ideal inviscid condition. based on this model, the situation with viscosity will be considered, and the model will be configured.Finally, experiments and numerical simulation will be used to confirm the accuracy of the model.A simulation program with turbulent combustion model will be developed to simulate the interaction between the boundary turbulent combustion instability and the detonation instability.The influence of the boundary layer on the detonation propagation speed in a confined supersonic flow will be studied and the relevant model will be constructed. And the control on the boundary layer will be studied to indirectly control the detonation propagation. This project will lay the foundation for the application of hypersonic detonation engine in the future.

本项目在成功研制的连续式预混超声速加热器基础上，拟发展一套带有湍流燃烧模型的爆震数值模拟程序，通过理论建模、实验研究和数值模拟，针对受限超声速流道中反应边界层对爆震传播的影响机理进行研究。对斜爆震在壁面的马赫反射引起爆震前传问题建立模型，通过数值模拟和实验研究以验证并完善模型，分析斜爆震波在壁面反射时引起边界层分离对爆震前传的影响。再开展边界层湍流燃烧不稳定性与爆震燃烧不稳定性的相互作用机理研究，分析受限超声速流道中边界层对爆震波传播速度的影响。在此基础之上，研究通过边界层抽吸或增厚来达到爆震传播特性的控制。研究结果有望为未来高超声速爆震发动机的工程实际应用奠定基础。

斜爆震发动机通常在燃烧室内设置斜劈等物体产生斜激波，利用斜激波诱导超声速预混气直接起爆形成爆震波来组织燃烧。理论上能在更高飞行马赫数下维持更高性能，且轻热防护要求更低，燃烧室尺寸小，结构重量轻，因此斜爆震发动机一直以来都备受关注。但由于对于斜爆震燃烧基础研究不够深入，特别是对发动机受限空间内超声速预混气中爆震传播特性的研究不足，极大阻碍了斜爆震驻定特性和稳定性的认识，从而也影响斜爆震发动机应用进度。.为了解受限流道中反应边界层与爆震波相互作用的基本规律，探索斜爆震在高超声速推进领域的工程应用前景，课题主要开展了以下几个方面的研究。.（1）对斜爆震波的不同过渡区结构的形成机理进行了理论分析和数值模拟研究，得到了能够用于过渡区结构预测的经验公式。分析了不同过渡区结构的稳定性和循环效率，并根据经验公式分析了斜爆震发动机的最优工况；.（2）对斜爆震反射过程进行理论分析和公式推导，得到了变比热比条件下的斜爆震关系式，对传统双波和三波理论在斜爆震反射问题中的适用性进行了讨论；.（3）对受限超声速流道中存在的边界层影响下的爆震波传播和斜爆震波反射问题进行了数值模拟研究，得到了三种典型的斜爆震反射类型，并对其结构特性进行了分析；.（4）对湍流条件下的斜爆震波的起爆和驻定问题进行了系统研究，得到了湍流对于斜爆震起爆极限和过渡区结构的影响规律；.（5）对来流边界层以及边界层抽吸条件下的斜爆震流场进行了研究，探索了通过控制边界层调整斜爆震特性的主动控制方法。.（6）对受限超声速流道中存在的其他类型的剪切层和爆震波反射现象进行了研究。.课题研究内容从最基本的爆震理论出发通过理论和数值模拟研究，辅以实验研究，对爆震与边界层相互作用的问题进行了系统研究分析，为推动斜爆震发动机走向工程应用提供有力的数据支撑，取得了预期的研究效果。